關于汽車制動緩速器實現(xiàn)能量回收方式的探討

1、關于汽車制動緩速器實現(xiàn)能量回收方式的探討第10卷第1期2011年3月廣東交通職業(yè)技術學院J0URNALOFGUANGDONGCOMMUNJCATl0NSPOLYTEC-tNICvo1.10No.1March2O11文章編號:16718496一(2011)Ol一006804關于汽車制動緩速器實現(xiàn)能量回收方式的探討朱軍(廣東省汽車運輸集團有限公司,廣東廣州510080)摘要:汽車制動緩速器因其有效降低制動系負荷而得到較廣泛的應用,但在緩速的過程中制動能量卻大量浪費了.文中通過對汽車可回收的制動能量的推算,對超級電容器作為制動能量回收儲能裝置的分析,提出利用超級電容器構成的制動能量回收裝置的設想,實

2、現(xiàn)制動能量的有效回收,達到節(jié)約能源,減少排放的效果.關鍵詞:緩速器;制動能量;回收利用中圖分類號:U463.5文獻標識碼:AAchievedEnergyRecoveryMethodsofAutomobileRetarderZHUJun(GuangdongCommunicationGroup,Guangzhou510080,China)Abstract:Automobilebrakeretarderbecauseofitseffectivelyreducethebrakesystemloadandgetmoreextensiveapplication,butintheprocessofslowd

3、owningreatquantitiesbrakingenergywerewasted,Byanalyzingtherecyclingbrakingenergycalculationofautomobiles,thispaperanalyzesthesupercapacitorwhichisusedforthebrakingenergyrecycling,proposesutilizingsupercapacitorconstitutethebrakingenergyrecoveryequipment,realizingtheeffectivebrakingenergyrecovery,rea

4、chtosaveenergyandreduceemissionseffect.Keywords:retarder;brakingenergy;recyc1e因緩速器在車輛傳統(tǒng)制動系統(tǒng)工作前,能承擔汽車的80%左右制動能量,其余20%左右的高強度制動能量由車輛傳統(tǒng)制動系統(tǒng)承擔,從而減輕了車輪制動器的負荷,降低了輪轂溫度,避免了爆胎和制動過熱的發(fā)生,大大提高了車輛的安全性,同時使摩擦塊的使用壽命可提高5倍左右,從而減少了制動系的維修頻率,因此在商用車,特別是客運車輛上得到了廣泛的應用.由于緩速器制動所作的功,均以熱能的形式散發(fā)到了大氣中,因此,如能將這部分通常被浪費掉的制動能量有效回收利用,并應用

5、于車輛起動和加速上,將可達到減少發(fā)動機和制動器磨損,節(jié)約能源,減少排放的效果.本文就汽車制動緩速器實現(xiàn)能量回收,利用進行探討,并論述如下1可回收的制動能量的分析收稿日期:2010.12.22作者簡介:朱軍(1968一),男,工程師研究方向:汽車管理汽車制動能量至今仍還是一個未被很好開發(fā)利用的能量,特別是對于在市區(qū)行駛過程中需要頻繁起動和制動的商用車,此部分消耗的能量是十分巨大的.譬如一輛長12m公交車(平均車輛總重約16t),以40km/h的初速度行駛在平直路面,提前40m開始減速的正?？空具^程中其可回收的制動能量推算如下:1.1初始能量1根據(jù)動能公式:動能=1v(1)式中:m為汽車的質量,單

6、位為kg;v為汽車的速度,單位為m/s.則車輛的初始慣性能量(動能)為987555J.1.2在車輛停車的過程中,將有4部分能量消耗f1)第一部分是滾動阻力所作的功按滾動阻力所作功的公式:=(2)式中:G為汽車的法向載荷,單位為:N;廠為滾動阻力系數(shù),取0.018;第1期朱軍:關于汽車制動緩速器實現(xiàn)能量回收方式的探討69S為車輛在滾動阻力作用下的行駛距離,單位為113.則此車在停車過程中,由于滾動阻力所消耗的功將是112896J,此部分的能量將以熱能的形式散發(fā)到大氣中,不可回收.(2)第二部分是風阻所作的功按風阻所作功的公式:,:而CDAV×(3)式中:C.為空氣阻力系數(shù),此處取0.6

7、5;A為汽車迎風面積,單位為1TI,此處取為8m2;為車輛瞬時車速,單位為km/h;為車輛停車過程中移動的距離,單位為m.因風阻與速度有關,而在車輛停車過程中,速度是不斷變化的,為計算方便,假設車輛以每行駛11TI,速度減少1km進行減速行駛,則風阻所消耗的功近似為:=×(40.+39+38十人人)×1=54434J這部分的能量也將以熱能的形式散發(fā)到大氣中,不可回收.(3)第三部分是發(fā)動機反拖動所造成的能量消耗兇在一般的停車過程中,當車速在1520km/h以上時,往往會帶檔減速,以發(fā)動機的反拖動力作為車輛的減速阻力,但這部分阻力比較復雜,沒有現(xiàn)成的公式可以計算,一般情況下可

8、以用帶檔與不帶檔滑行的方式試驗獲得.據(jù)有關資料記述,這方面造成的能量消耗約為同期滾動阻力與風阻之和的1.5倍,按20km時速時脫擋計算,所消耗的能量為l57467J,這部分的能量也是不可回收的.(4)第四部分是制動系統(tǒng)所作的功即車輛除以上三個部分所消耗的功以外,使車輛停下來所消耗的功,只有這部分的能量可以通過技術創(chuàng)新實現(xiàn)回收的;按車輛初始,減去滾動阻力所做功112896J,風阻所做功54434J及發(fā)動機反拖動所作的功157467J,可見還有662758J的能量是可以回收的,它約占整個慣性能量的67%.據(jù)有關文獻分析表明,城市典型工況下,大型載客大客車制動時消耗的慣性能量,可達發(fā)動機發(fā)出的總能量

9、的59%,則理論推算,可回收的能量將達到發(fā)動機發(fā)出的總能量的約39.5%(59%×67%1,考慮到汽車內部摩擦阻力及各部分效率的問題,以及有部分情況需傳統(tǒng)制動器產生作用的情況,一般制動能量回收裝置可節(jié)省燃料約15%.對于一輛月行程8000km,1O0km油耗30L的城市公交車來說,每月將節(jié)約油料消耗約360L,則年節(jié)約燃油4320L,按目前柴油6.8元/L的價格計算,年節(jié)約燃料費達29376元.從以上分析可知,如果能對車輛減速過程中制動消耗的能量予以回收,在車輛制動過程中通過能量轉換,一方面產生一定的阻力使汽車減速制動,另一方面將能量儲存起來,用于輔助車輛起動及加速,從而減少發(fā)動機的

10、負荷,這有助于提高汽車能源利用率,減少燃料消耗,減輕制動器的熱負荷,減少磨損,提高汽車行駛的安全性和使用經濟性.2儲能裝置的選擇目前,國內汽車采用的緩速器分兩類:一類是電渦流緩速器;另一類為液力緩速器,主要區(qū)別是其產生制動力的介質不同,其制動原理基本是一樣的,其制動力均是作用于傳動軸上,通過對傳動軸施加制動力,從而使車輛減速.因電力緩速器結構簡單,維修方便,制動反應迅速,故得到較廣泛的應用,下面就對電力儲能裝置的選擇進行分析.以前用于儲能的電力裝置主要是蓄電池類產品,如鉛酸儲電池,鎳鎘電池,鎳氫電池及鋰離子電池等,此類電池均是通過電.化學轉化的形式進行電能儲存的,存在電能儲存慢,對大電流的承受

11、能力低,而且反復充,放電易老化,從而導致蓄電池使用壽命短的特點,對于制動能量這種短時間,大電流,反復充放電的能量回收,會造成相當成本和能量的浪費.實踐證明,蓄電池類只能回收制動能量的5%左右.近來隨著超級電容器的技術發(fā)展,已能達到較大功率儲存的要求,技術日趨成熟,超級電容器已進入應用階段,漸趨市場化.超級電容器相較予傳統(tǒng)電池具有十大技術優(yōu)勢:(1)充電速度快:由于不存在電能轉化化學能的化學反應,充電10S幾分鐘可達到其額定容量的95%以上,因此可回收制動能達70%左右,而傳統(tǒng)電池往往要充電數(shù)小時;70廣東交通職業(yè)技術學院第l0卷(2)循環(huán)使用壽命長,深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達10萬次50萬次,

12、沒有"記憶效應"(3)大電流放電能力超強,能量轉換效率高,過程損失小,大電流能量循環(huán)效率90%;(4)功率密度高,可達100010000W/kg,相當于磷酸鐵鋰電池的510倍;(5)充放電線路簡單,無需充電電池那樣的充電電路,安全系數(shù)高,長期使用免維護;(6)超低溫特性好,溫度范圍寬,達.50+170口:(7)檢測方便,剩余電量可直接讀出;(8)高耐壓:能耐電壓_>300V;(9)只要穩(wěn)定電壓,就沒有過充電損害電池;(10)安全:不存在易燃易爆物質,不會爆炸.目前,利用超級電容器的純電動車已進人試用階段,如上海世博園內的超級電容車,上海的11路公交車,均使用了

13、純超級電容作為儲能裝置,但因超級電容器相較予傳統(tǒng)電池也存在能量儲存能力低的缺點,在體積相同的條件下只有傳統(tǒng)電池的5%左右,因此,超級電容器在電動汽車上作為蓄能裝置存在續(xù)航能力低的不足,需要頻繁充電;但對于充放電時問少于1min左右,而需要大電流快速充放電的車輛制動能量的回收及輔助起步,加速的情況,超級電容器則是比較理想的選擇,完全適應這一功能需求.接受制動踏板,加速踏板,速度傳感器及超級電容系統(tǒng)信號,對DC/DC雙向變換器及能量轉換裝置進行控制.能量轉換裝置是一發(fā)電機與電動機一體的設備,在制動時,其作為發(fā)電機向超級電容充電,在起步和加速時,其作為電動機提供輔助動力.DC/DC雙向變換器是一雙向

14、的高頻直流電流型L降壓變換器,超級電容經DC/DC雙向變換器與能量轉換裝置相聯(lián),通過控制DC/DC的輸出電流來達到控制其輸出功率.UCMS(超級電容管理系統(tǒng))實現(xiàn)對超級電容的封裝,它包括超級電容管理系統(tǒng)和超級電容組,主要作用是管理每個單體電流的大小,防止電壓超過電容耐壓值而造成損壞,限制單體不均勻性的影響.從而使超級電容組穩(wěn)定可靠的工作,提高超級電容組整體的效率和壽命.系統(tǒng)控制單元是對整個制動能量回收系統(tǒng)進行控制,它監(jiān)測制動踏板,加速踏板,速度值及其變化及超級電容的狀態(tài),從而對充,放電進行控制.相對于目前所使用的蓄電池類動力方式,采用此種方式,不用另外增加能源消耗,不用改變汽車底盤結構和發(fā)動機

15、,只需將目前的緩速器改變?yōu)榘l(fā)電機/電動機一體機,并增加一套能量回收裝置,即可達到要求.3超級電容能量回收裝置原理4能量回收裝置的工作過程分析為了使這種裝置能盡快得到開發(fā),利用,使之轉化為企業(yè)和社會效益,筆者在此初步設計了一套基本系統(tǒng),其原理結構圖如圖1所示,能量轉換裝置代替了原來的緩速器,仍安裝在變速箱后面的位置,能量轉換裝置經DC/DC雙向變換器與超級電容系統(tǒng)(UCMS)fH連,系統(tǒng)控制單元圖1超級電容能量回收裝置原理4.1制動能量回收過程汽車制動時,能量回收裝置的系統(tǒng)控制單元檢測制動踏板信號,當制動踏板剛被踩下,而車輪制動器還未動作前,先接通能量回收裝置,使能量回收裝置的能量轉換器(發(fā)電機

16、/電動機)作為發(fā)電機工作,將機械能轉化為電能,經DC/DC雙向變換器,將電能儲存人超級電容系統(tǒng),如制動能量回收裝置的制動力使車輛減速度達到減速要求,則駕駛員不再向下踩制動踏板,此時只有制動能量回收裝置起作用,當制動能量回收裝置的制動力不足時,駕駛員則進一步踩下制動踏板,此時制動能量回收裝置與機械制動器共同作用,同時系統(tǒng)控制單元檢測速度信號,當速度信號低于5km時,系統(tǒng)控制單元停止能量回收.4.2回收能量釋放過程當汽車起步或加速需要較大的驅動力時,系第1期朱軍:關于汽車制動緩速器實現(xiàn)能量回收方式的探討71統(tǒng)控制單元檢測油門踏板和速度信號狀況,如需要提供輔助動力,則系統(tǒng)控制單元將使能量轉換裝置轉變

17、為電動機驅動傳動軸.根據(jù)汽車行駛工況,回收能量釋放過程可以分為起步過程和加速過程.f1)起步過程:汽車起步時,系統(tǒng)控制單元檢測到油門剛被踏下,而車速低于10km,而同時檢測超級電容的電量,如果電量少于限定值,則輔助系統(tǒng)不動作;如電量高于限定值,則控制系統(tǒng)控制DC/DC雙向變換器,向能量轉換裝置釋放電能,使能量轉換裝置作為電動機與發(fā)動機一起驅動車輛起動,當系統(tǒng)控制單元監(jiān)測到超級電容電量少于某限定值時,則中止輔助動作,此時南發(fā)動機驅動汽車起動.(2)加速過程:汽車在行駛過程中,系統(tǒng)控制單元檢測油門踏板被踩到某個區(qū)間,同時檢測車速變化情況(加速度),當加速度達到一定值時,系統(tǒng)控制單元先檢測超級電容器

18、情況,如果電量少于限定值,則輔助系統(tǒng)不動作,如電量高于限定值,則控制DC/DC雙向變換器向能量轉換裝置供應電能,使能量轉換裝置作為電動機與發(fā)動機一起驅動車輛加速,當系統(tǒng)控制單元監(jiān)測到超級電容電量少于某限定值時,則中止輔助動作,此時由發(fā)動機驅動汽車加速.5結束語利用超級電容器作為儲能裝置,將制動緩速與制動能量回收相結合,是一種投人少,效益高的方式,不但可以達到原緩速器的性能,減少制動系的負荷,提高安全性,還能對制動能量進行回收和利用,從而降低了發(fā)動機的燃油消耗,減少了廢氣排放.按本文理論計算,裝用此種裝置后,對于一個擁有500輛車的中型公交公司,年節(jié)約燃油將達216萬L,相當于減少518.124萬的二氧化碳排放量,因此效果將是十分明顯的.參考文獻:1孫逢春.電動汽車M】.北京:北京理丁大學f"版社,1997.2余志生.汽車理論M.北京:機械r業(yè)出版社,2008.3崔淑海,張丁帆,宋立偉,等.超級電容電動車動力性能研究【JJ.微電機,2005(4).4熊奇,唐冬漢.超級電容器在混合電動車上的研究進展.中山大學